一、背景

     全球能源需求與日俱增和環(huán)境污染嚴重等問題的出現，使得高效和環(huán)保的可再生能源的轉化和儲存技術受到全世界的廣泛關注。鋰離子電池因具有能量密度高、重量密度低、循環(huán)壽命長、不存在記憶效應等特點而備受科研人員的關注，近些年一直被認為是可再生能源領域最有前途的儲能器件之一。目前商用鋰離子電池最常用的是粉末電極，如以石墨為負極，金屬鋰氧化物(如 LiCoO2)為正極，然而這些粉末材料在作為鋰離子電池負極材料時因擴散路徑較長，可能導致鋰離子電池在循環(huán)過程中倍率性能較差，體積膨脹較大等問題，從而使電池循環(huán)穩(wěn)定性較差，因此探索具有更高可逆容量、長循環(huán)壽命的替代電極材料已成為當今的緊迫任務。

二、碳納米纖維

     在解決因體積膨脹導致電池循環(huán)性能差這類問題的方法中，制備具有先進納米結構的纖維材料是解決這些問題的重要方法之一。納米纖維主要是指在三維尺度上有兩維的尺寸處于納米范圍的線或管狀材料，由于這種材料具有比表面積大、孔隙率高等優(yōu)點，使得納米纖維材料在儲能材料、生物醫(yī)學以及其它特殊領域都有著良好的應用前景。通過拉伸法、模板合成法、相分離法、自組裝法和靜電紡絲等均可制備納米纖維，而靜電紡絲技術具有制作裝置簡單、成本低廉等優(yōu)點而受到許多研究人員的青睞。應用靜電紡絲技術更是可以制備出各種具有碳納米纖維結構的鋰離子電池負極材料，這種碳納米纖維(CNFs)及其形態(tài)衍生物(如多孔或中空CNFs)可以作為鋰離子電池導電添加劑、集電流劑和電極活性材料，CNFs 也因具有特殊的納米纖維結構以及優(yōu)良的機械性能、較大的電極與電解質界面的比表面積、較短的離子輸運長度和高效的縱向電子輸運而備受關注。

碳納米纖維結構及微觀形貌圖

靜電紡絲碳纖維前驅體

理論上任何帶有碳骨架的材料都可以用作碳前驅體，但能轉化為 CNFs 的聚合物納米纖維數量卻很有限，目前為止比較常見的水溶性聚合物包括聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚環(huán)氧乙烷(PEO)等，非水溶性聚合物包括聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚乳酸(PLA)、明膠等。在這些聚合物中，聚丙烯腈因其超高的產碳率和優(yōu)良的機械和電化學性能而受到研究人員的關注，然而，碳納米纖維的進一步發(fā)展是必要的，以滿足對鋰離子電池不斷擴大的需求。為了獲得具有多孔、中空、核殼納米結構的 CNFs，可以在靜電紡絲前驅體中引入第二組分，并在隨后的煅燒中，可選擇性地去除第二組分。

三、靜電紡絲碳納米纖維復合負極材料

     由于碳納米纖維自身容量較低的缺點，單獨作為鋰離子電池電極材料時常表現出較低的容量，與此同時碳材料可以作為單質、氧化物、多元氧化物、硫化物等的載體，將這些材料和碳納米纖維復合可以改善其電化學性能，這種復合方式成為研究的發(fā)展趨勢，因此近年來研究人員對鋰離子電池靜電紡絲負極材料的研究越來越重視，并提出了這些材料缺點以及改善方法，下面將詳細介紹幾類不同的與碳納米纖維材料復合的負極材料。

1.單質/碳納米纖維復合材料

     硅的導電性差以及在循環(huán)過程中體積膨脹大限制了其商業(yè)化。解決體積膨脹大這一問題的有效途徑是將理論容量更高的 Si 納米顆粒引入到碳納米纖維基體中，以改善其由于與鋰離子的合金和脫合金反應導致的高達 400%的體積變化以及納米顆粒容易聚集而導致鋰離子電池循環(huán)性能差等問題。

 

3.多元氧化物/碳納米纖維復合材料

 

     多元氧化物對電池充放電過程中的放電產物的形成與分解具有很好的催化作用，在碳納米纖維中引入高價金屬元素的多元金屬氧化物，可以有效地調節(jié)材料表面的電子結構，進一步增強電極活性。靜電紡絲常見的引入的多元氧化物有：錫基多元氧化物、硅基多元氧化物等。

 

4.金屬硫化物/碳納米纖維復合材料

    與金屬氧化物相比，過渡金屬硫化物(例如 NiS、MoS2、Sb2S3)通常具有更高的電導率、更高的理論比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。然而，在實際應用中，金屬硫化物作為鋰離子電池負極材料，由于鋰離子的重復插入和脫嵌，可能會導致較大的體積膨脹甚至結構損壞，進而出現較低的倍率性能和容量的快速衰減現象。針對這一問題研究人員給出的解決方案是通過靜電紡絲技術將金屬硫化物摻入獨立的碳納米纖維中從而構建碳–金屬–硫化物材料，能夠有效的提高電子電導率。金屬硫化物碳納米纖維結構的制備方法是首先將硫分散在制備好的金屬醋酸鹽和聚合物溶液中，通過靜電紡絲制備納米纖維，然后對靜電紡絲后的纖維進行氮氣中的熱處理形成金屬硫化物碳納米纖維復合材料，在這個過程中，金屬醋酸鹽和硫相互反應形成金屬硫化物，而聚合物主鏈變成碳納米纖維。

 

四、新能源靜電紡絲生產線

 

     我司深耕靜電紡絲行業(yè)20多年，公司研發(fā)團隊擁有200多項專利，10000多個合作客戶，全球100多個產業(yè)化合作案例。固態(tài)電解質膜靜電紡絲生產線，設備幅寬可選擇1.2/1.6/1.8m，穩(wěn)定紡絲的基體材料有：PEO、PAN、PMMA、PVDF/PVDF-HFP等聚合物，纖維直徑可控制在200-500nm之間，生產效率高，以紡20μm的膜厚為例，一臺設備日產能可達到8000+㎡/天，具有可觀的經濟效益。

標準化生產線

	采用全噴頭的紡絲模式避免了無針式自由液面的不穩(wěn)定和不均勻性，大大降低了膜面的殘次點出現的概率，纖維直徑窄且可控，結構穩(wěn)定。5大獨立控制系統——收放卷系統、自動供液系統、溫濕度控制系統、PLC控制系統和7英寸全彩觸摸屏操控系統，為設備的穩(wěn)定生產保駕護航。
不同噴頭紡絲方式可以沿著收卷方向排列，可獨立控制紡絲參數，可以獲得納米纖維-納米纖維、納米纖維-納米顆粒（電池無機材料）等多形貌-多組分嵌入式的網絡結構，從結構設計上提高固態(tài)電池的綜合性能。